DE102011114506A1 - Method and device for non-contact measurement of a mass or volume flow of an electrically conductive fluid - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur berührungslosen Messung eines Massen- oder Volumenstromes eines elektrisch leitfähigen Fluids mittels Lorentzkraftkompensation. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren zur berührungslosen Messung des Massen- oder Volumenstroms (v1) eines elektrisch leitfähigen Fluids gelöst, bei dem am Ort der Strömung ein Magnetfeld erzeugt wird und eine aufgrund der Relativbewegung zwischen dem Magnetfeld und des Massen- oder Volumenstroms (v1) entstehende Kraft- oder Momentkomponente erfasst wird, wobei der Massen- oder Volumenstrom (v1) im Magnetfeld mit einem zweiten bekannten Durchfluss eines weiteren elektrisch leitfähigen Fluides (v2) oder eines bewegten elektrisch leitfähigen Festkörpers (4, 5) bekannter Geschwindigkeit überlagert wird und aus der damit bekannten Geschwindigkeit der Durchfluss des zu messenden Fluids ermittelt wird und mit einer Vorrichtung zur berührungslosen Geschwindigkeitsmessung des Massen- oder Volumenstroms (v1) eines in einem rohrförmigen Gefäß (1) strömenden elektrisch leitfähigen Fluids gelöst, bei der am Ort der Strömung ein Magnetfeld erzeugt wird und eine aufgrund der Relativbewegung zwischen dem Magnetfeld und des Massen- oder Volumenstroms (v1) entstehende Kraft- oder Momentkomponente erfasst wird, wobei parallel zu dem rohrförmigen oder rinnenförmigen Kanal (1) ein weiterer rohrförmiger oder rinneförmiger Kanal (2), in dem ein weiteres Fluid strömt, so angeordnet ist, dass die Feldlinien eines Magneten (3) beide Kanäle (1, 2) durchdringen und eine Auswerteeinheit zur Erfassung des resultierenden Kraft- oder Momentenkomponenten vorhanden ist.The invention relates to a method and a device for non-contact measurement of a mass or volume flow of an electrically conductive fluid by means of Lorentz force compensation. The object is achieved with a method for non-contact measurement of the mass or volume flow (v1) of an electrically conductive fluid, wherein at the location of the flow, a magnetic field is generated and due to the relative movement between the magnetic field and the mass or volume flow (v1 ) is detected, wherein the mass or volume flow (v1) is superimposed in the magnetic field with a second known flow of another electrically conductive fluid (v2) or a moving electrically conductive solid body (4, 5) of known speed and off the speed known to flow of the fluid to be measured is determined and solved with a device for non-contact speed measurement of the mass or volume flow (v1) in a tubular vessel (1) flowing electrically conductive fluid in which generates a magnetic field at the location of the flow will and one on Because of the relative movement between the magnetic field and the mass or volume flow (v1) resulting force or moment component is detected, wherein parallel to the tubular or channel-shaped channel (1) another tubular or channel-shaped channel (2), in which flows another fluid , Is arranged so that the field lines of a magnet (3) both channels (1, 2) penetrate and an evaluation unit for detecting the resulting force or torque components is present.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur berührungslosen Messung eines Massen- oder Volumenstromes eines elektrisch leitfähigen Fluids mittels Lorentzkraftkompensation.The invention relates to a method and a device for non-contact measurement of a mass or volume flow of an electrically conductive fluid by means of Lorentz force compensation.
Die Messung der Strömungsgeschwindigkeit durch herkömmliche Messverfahren wie Flügelräder, Pitotrohre und dergleichen, ist in Metall-, Halbleiter- und Glasschmelzen nicht möglich, weil Erosion zur Zerstörung der Messsensoren führt. Deshalb werden für Hochtemperaturschmelzen berührungslose elektromagnetische Strömungsmessverfahren verwendet.The measurement of the flow velocity by conventional measuring methods such as impellers, pitot tubes and the like, is not possible in metal, semiconductor and glass melts, because erosion leads to the destruction of the measuring sensors. Therefore, non-contact electromagnetic flow measuring methods are used for high-temperature melting.
Ein berührungsloses elektromagnetisches Messverfahren namens Lorentzkraft-Anemometrie wird in
Analoge Verfahren sind in
Nachteilig bei diesen Verfahren ist, dass das Messsignal nicht nur von der Geschwindigkeit, sondern auch von der Magnetfeldstärke abhängt. Wenn sich die Magnetfeldstärke auf Grund von Temperaturvariationen oder Alterungserscheinungen des Magnetmaterials ändert, entstehen Messfehler. Weiterhin muss die Strömungsmessung häufig in Anwesenheit bereits vorhandener äußerer Magnetfelder „Störfelder” erfolgen. Dies ist beispielsweise bei der Strömungsmessung in flüssigem Aluminium in einer Aluminiumreduktionszelle der Fall. Die Messung mittels Lorentzkraft-Anemometrie wird dadurch erschwert, dass in der Aluminiumreduktionszelle ein magnetisches Gleichfeld von der Größenordnung 0,1 Tesla herrscht, welches eine starke geschwindigkeitsunabhängige Anziehungskraft auf das Magnetsystem eines Lorentzkraft-Anemometers ausüben und eine Messung verfälschen würde.A disadvantage of these methods is that the measurement signal depends not only on the speed, but also on the magnetic field strength. If the magnetic field strength changes due to temperature variations or aging of the magnetic material, measurement errors will occur. Furthermore, the flow measurement must often take place in the presence of already existing external magnetic fields "interference fields". This is the case, for example, in flow measurement in liquid aluminum in an aluminum reduction cell. The measurement by means of Lorentz force anemometry is made more difficult by the fact that a DC magnetic field of the order of magnitude of 0.1 Tesla prevails in the aluminum reduction cell, which exerts a strong, speed-independent attractive force on the magnet system of a Lorentz force anemometer and would falsify a measurement.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit welchen diese Messfehler vermieden werden.The object of the invention is therefore to provide a method and a device with which these measurement errors are avoided.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren, welches die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist und mit einer Vorrichtung, welche die in Anspruch 9 oder 12 angegebenen Merkmale aufweist, gelöst.The object is achieved with a method having the features specified in
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Der zu messende unbekannte Durchfluss (Massenstrom oder Volumenstrom) v1 im Magnetfeld wird mit einem zweiten bekannten Durchfluss v2 eines einfach handhabbaren elektrisch leitfähigen Fluides oder eines bewegten elektrisch leitfähigen Festkörpers bekannter Geschwindigkeit überlagert. Durch diese Überlagerung ist die resultierende Lorentzkraft eine Überlagerung der durch den unbekannten Durchfluss erzeugten Lorentzkraft und der Kraft durch den zweiten, bekannten Durchfluss oder die bekannte Geschwindigkeit des Festkörpers. Die resultierende Lorentzkraft kann durch eine Regelung auf einen bestimmten, konstanten Wert eingestellt werden oder ein zeitlicher Verlauf gezielt erregt werden.The unknown flow (mass flow or volume flow) v 1 in the magnetic field to be measured is superposed with a second known flow v 2 of an easily handled electrically conductive fluid or a moving electrically conductive solid of known speed. As a result of this superimposition, the resulting Lorentz force is a superposition of the Lorentz force generated by the unknown flow and the force due to the second known flow or the known velocity of the solid. The resulting Lorentz force can be adjusted by a control to a specific, constant value or a time course can be specifically excited.
Aus dem dann bekannten oder deutlich einfacher zu messenden Durchfluss v2 kann der gesuchte Durchfluss v1 sehr einfach berechnet werden.From the then known or much easier to measure flow v 2 of the desired flow v 1 can be calculated very easily.
Eine vorteilhafte Ausführung sieht vor, dass der bekannte Durchfluss derart zur Kompensation der Lorentzkraft benutzt wird, dass diese verschwindet. Dafür muss der Durchfluss so geregelt werden, dass das Kraftsignal der Lorentzkraftmessung Null wird.An advantageous embodiment provides that the known flow is used to compensate for the Lorentz force that this disappears. For this, the flow must be regulated so that the force signal of the Lorentz force measurement is zero.
Ferner ist es möglich, die bekannte Bewegung eines elektrisch leitfähigen Festkörpers derart zur Kompensation der Lorentzkraft zu benutzen, dass diese verschwindet. Dabei wird die Bewegung so geregelt werden, dass das Kraftsignal der Lorentzkraftmessung Null wird.Furthermore, it is possible to use the known movement of an electrically conductive solid in such a way to compensate for the Lorentz force that it disappears. The movement will be regulated so that the force signal of the Lorentz force measurement becomes zero.
Dem Fachmann sind geeignete Ausführungsformen einer solchen Regelung geläufig.The person skilled in suitable embodiments of such a scheme are familiar.
Eine vorteilhafte Form der Bewegung ist die Drehbewegung, weil diese endlos läuft. Die Richtung der Bewegung des Festkörpers ist entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung des Fluids; der Betrag hängt von der konstruktiven Ausführung und den Leitfähigkeiten ab.An advantageous form of movement is the rotational movement, because it runs endlessly. The direction of movement of the solid is opposite to the direction of movement of the fluid; the amount depends on the design and the conductivities.
Die Durchflussmessung des möglicherweise aggressiven Mediums wird somit auf die Messung einer Geschwindigkeit bzw. einer Winkelgeschwindigkeit außerhalb des Fluids zurückgeführt.The flow measurement of the potentially aggressive medium is thus attributed to the measurement of a velocity or an angular velocity outside the fluid.
Aus der dann bekannten oder deutlich einfacher zu messenden Geschwindigkeit kann der gesuchte Durchfluss bestimmt werden. From the then known or much easier to be measured speed of the desired flow can be determined.
Der bekannte Durchfluss bzw. die bekannte Bewegung kann auch zur Ermittlung der Kennlinie des Lorentzkraft-Anemometers verwendet werden, indem bei bekanntem Eingangssignal die Größe des Ausgangssignals der Lorentzkraftmessung bestimmt wird. Das kann an beliebig vielen Punkten auf der Kennlinie erfolgen. Für eine lineare Kennlinie sind mindestens zwei Punkte nötig.The known flow or the known movement can also be used to determine the characteristic curve of the Lorentz force anemometer by determining the size of the output signal of the Lorentz force measurement when the input signal is known. This can be done at any number of points on the characteristic curve. For a linear characteristic at least two points are necessary.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.Embodiments of the invention will be explained in more detail below with reference to a drawing.
Darin zeigen:Show:
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided in all figures with the same reference numerals.
In
Die Querschnitte von Kanal
Eine Ausführungsform, bei der anstelle eines Referenzstromes ein bewegtes elektrisch leitendes Bauelement in Form einer Scheibe
Bei der in
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- rohrförmiger oder rinnenförmiger Kanal für das zu untersuchende Fluidtubular or channel-shaped channel for the fluid to be examined
- 22
- rohrförmiger oder rinnenförmiger Kanal für ein weiteres Fluidtubular or channel-shaped channel for another fluid
- 2.1, 2.22.1, 2.2
- weitere Kanälemore channels
- 33
- Magnetmagnet
- 44
- Drehscheibeturntable
- 4.14.1
- rotierende Scheiberotating disc
- 4.24.2
- zusätzliche rotierende Scheibeadditional rotating disc
- 55
- Hohlzylinderhollow cylinder
- v1 v 1
- Strömungsgeschwindigkeit des zu untersuchenden FluidsFlow velocity of the fluid to be examined
- v2 v 2
- Strömungsgeschwindigkeit eines weiteren FluidsFlow rate of another fluid
- SS
- magnetischer Südpolmagnetic south pole
- NN
- magnetischer Nordpolmagnetic north pole
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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